机械零件的失效与材料选择

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机械制造中要获得满意的零件，就必须从结构设计、合理选材、毛坯制造及机械加工等方面综合考虑。本文主要对机械零件的失效和材料选择两大方面进行简单介绍。

一、机械零件的失效

现代机械设备的复杂性越来越高，可能会发生多种故障。对于故障件，应根据其损坏形式找出失效原因。下面从失效基本概念、主要形式和原因3个方面进行介绍。

1、失效基本概念。失效是产品在使用过程中失去原设计所规定的功能。常见的特征有三：

(1)、零件完全破坏、不能正常工作；

(2)、零件严重损伤、继续工作不安全；

(3)、零件工作不能达到设计的功效。

通过零件的失效分析，可对其结构设计、材料选择和加工工艺改进提供可靠的依据。

2、失效的主要形式。主要有四种类型：

(1)、过量变形失效。即变形超过允许范围，使设备无法正常工作。主要有变形超限和蠕变两种形式。如高温下工作的螺栓发生松弛就是蠕变造成的；

(2)、断裂失效。常见的有疲劳断裂、低温脆断、应力腐蚀断裂、蠕变断裂等。

疲劳断裂是在交变循环应力多次作用下发生的断裂；低温脆断常发生在有尖缺口或裂纹的构件中，断裂较突然；应力腐蚀断裂，如奥氏体钢在含氧量高的水中受到敏化作用，开裂明显；许多在高温下工作的零件，由于长时间蠕变，承载面积不断减小，单位截面积应力提高，最终导致蠕变断裂。

(3)、表面损伤失效。表面损伤使设备无法正常工作或失去精度，常见的有表面疲劳、表面磨损、表面腐蚀等类型。

通过表面强化处理，可提高抗表面损伤能力；

(4)、裂纹失效。指零件内外裂纹、在外力作用下扩展，造成零件断裂的现象。可分为铸造裂纹、锻造裂纹、焊接裂纹、热处理裂纹和机加工裂纹等。

往往是材料选取不当、工艺制定不合理造成的。

3、失效的原因。原因是多方面的，下面主要从四个方面介绍：

(1)、结构设计不合理。指结构形状、尺寸设计不合理引起失效；

(2)、材料选取不当。指选取的材质较差，如出现裂纹的锻造钢材，发现其硫含量超标；

(3)、加工工艺问题。指工艺方法或参数不当，产生缺陷，导致零件破坏；

(4)、使用维护不当。如超载运行、润滑不良等。

二、机械零件的材料选择

合理地选择零件材料，可以保证零件工作时功能良好、降低生产成本和提高生产效率。通常应遵循以下三个原则：

1、使用性能。设计零件进行选材时，主要根据零件的服役条件，提出合理的性能指标。

服役条件包括：受力状况（拉压、弯扭）、载荷性质（静载、冲击载荷、循环载荷）、工作温度（常温、高低温）、环境介质（有无腐蚀介质）、特殊性能要求（导电导热等）。

最重要的使用性能是力学性能。常见的力学性能指标有强度、硬度、塑性、韧性等。

硬度对估计材料的磨损抗力和钢的大致强度都很有用，最广泛的应用是作为热处理的质量保证；较高的塑性可对零件过载起保护作用；冲击韧度的实质是表征在冲击载荷和复杂应力状态下材料的塑性，对材料的组织缺陷和温度更敏感，是判断材料脆断的重要指标。

2、工艺性能。对零件的加工难易程度、生产效率高低、生产成本大小等起重要作用。

金属材料的工艺路线复杂，但适应性能好。常见的加工方法有铸造、压力加工、焊接和切削加工等。

常用的铸造合金中，铝合金和铜合金最好、铸铁次之、铸钢最差。

机械零件的最终使用性能，很大程度上取决于热处理工艺。通常碳钢加热时易过热，造成晶粒粗大，淬火时易变形开裂。因此，制造高强度、大截面、形状复杂的零件，应选用合金钢。

3、经济性。保证零件的生产和使用总成本最低。

综上，零件的选材的基本步骤为：

1、确定产品功能要求的特性，包括可能互相矛盾的要求，并确定相对优先顺序；

2、决定产品每个构件所要求的性能，对各候选材料进行性能上的比较；

3、对外形、材料和加工方法进行综合考虑。